MIT: Partículas subatómicas dan una patada cuántica y mueven objetos grandes

Que un objeto de unas pocas decenas de kilos pueda sacar de su curso a algo tan masivo como un planeta o una estrella, suena absurdo. En una escala proporcional sería imposible que partículas subatómicas puedan mover cuerpos de varios kilos de peso. Pero eso es lo que han logrado científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts al probar los efectos del mundo cuántico en escalas mayores, como la humana.

Los libros de texto suelen presentar la mecánica cuántica como la teoría del mundo microscópico. Esta explica el comportamiento de las partículas, los átomos y las moléculas. Para escalas mayores (de las hojas, las plantas, las personas o los planetas) se usa la física clásica. En algún punto entre las moléculas y las hojas, se hallaría la frontera donde cesa el comportamiento del mundo cuántico y comienza la familiaridad de lo clásico que funciona a escalas mayores. Pero dado que ambas realidades coexisten, ambas funcionan, por diferentes que sean. Aún los investigadores no saben exactamente cómo, pero en el MIT dieron un paso adelante para desvelar el misterio.

La impresión de que la mecánica cuántica se limita al mundo microscópico se extiende incluso al ámbito científico. Brian Greene, de la Universidad de Columbia, escribe en su libro El universo elegante que la mecánica cuántica «proporciona una herramienta teórica para entender el universo a las escalas más diminutas». La física clásica, que comprende cualquier teoría que no sea cuántica, incluida la relatividad de Einstein, se ocupa de las escalas mayores.

Juntas pero no revueltas

Las partículas subatómicas forman un mundo loco en el que las reglas son muy diferentes a las que conocemos en la realidad cotidiana. Allí puede pasar una cosa y la contraria al mismo tiempo. O que algo esté en dos sitios a la vez o teletransportarse. Son situaciones inasumibles para la física con la que todos estamos familiarizados.

Pero ese reino de lo pequeño, por extraño que nos parezca, puede influir en el nuestro. Ahora, por primera vez, un equipo dirigido por investigadores del Laboratorio MIT LIGO (Observatorio por Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales del Instituto Tecnológico de Massachusetts) logró medir sus efectos en objetos a escala humana.

Micro a escala macro

Los científicos observaron cómo las fluctuaciones cuánticas que existen en el universo, por pequeñas que sean, pueden «patear» un objeto tan grande como uno de los espejos de 40 kilogramos del LIGO, haciendo que se mueva de 10 a 20 metros. Este desplazamiento había sido predicho por la mecánica cuántica para un objeto de ese tamaño, pero nunca antes se había medido, reportó la revista Nature.

En concreto, los espejos han sido movidos por el ruido cuántico. El universo, visto a través de la lente de la mecánica cuántica, es un espacio ruidoso y crepitante. Allí las partículas parpadean constantemente dentro y fuera de la existencia. Crean un fondo de ruido cuántico cuyos efectos son normalmente demasiado sutiles para ser detectados en objetos cotidianos. Ocurre en nosotros mismos, pero no nos damos cuenta.

Es un fenómeno común

«Cada nanosegundo de nuestra existencia estamos siendo sacudidos, golpeados por estas fluctuaciones cuánticas. Es solo que el nerviosismo de nuestra existencia, nuestra energía térmica, es demasiado grande para que estas fluctuaciones de vacío cuántico afecten nuestro movimiento de manera medible», explica Nergis Mavalvala, jefa del Departamento de Física del MIT. «Lo especial de este experimento es que hemos visto efectos cuánticos en algo tan grande como un ser humano», puntualiza.

Para conseguirlo, los investigadores aislaron los espejos LIGO del movimiento impulsado térmicamente y de otras fuerzas. De este modo, son lo suficientemente fuertes como para ser sacudidos por las fluctuaciones cuánticas y estas «espeluznantes palomitas de maíz del universo».

«Esta fluctuación cuántica en la luz láser puede causar una presión de radiación que realmente puede patear un objeto», apunta Lee McCuller, científico investigador del Instituto Kavli de Astrofísica y de Investigación del Espacio en el MIT. «El objeto en nuestro caso es un espejo de 40 kilogramos, que es mil millones de veces más pesado que los objetos a nanoescala en los que otros grupos han medido este efecto cuántico», aclara.

Mundo cuántico en escalas mayores

LIGO está diseñado para detectar ondas gravitacionales que llegan a la Tierra desde fuentes cataclísmicas a millones o miles de millones de años luz de distancia. Se compone de dos detectores gemelos, uno en Hanford, Washington, y el otro en Livingston, Louisiana. Cada detector es un interferómetro en forma de «L». Está formado por dos túneles de 4 kilómetros de largo, al final del cual cuelga un espejo de 40 kilogramos.

Para el experimento, el equipo usó un instrumento construido recientemente como complemento de los interferómetros, al que llaman exprimidor cuántico. Con el exprimidor, los científicos pueden ajustar las propiedades del ruido cuántico dentro del interferómetro de LIGO.

El equipo midió primero el ruido total dentro de los interferómetros, incluido el ruido cuántico de fondo, así como el ruido «clásico» o las perturbaciones generadas por las vibraciones cotidianas normales. Luego encendieron el exprimidor y lo configuraron en un estado específico que alteró las propiedades del ruido cuántico.

Entonces pudieron restar el ruido clásico durante el análisis de datos para aislar el ruido puramente cuántico. Como el detector monitorea constantemente el desplazamiento de los espejos a cualquier ruido entrante, los investigadores pudieron observar que solo el cuántico era suficiente para desplazar los espejos hasta 10 o 20 metros.

Futuras aplicaciones

Mavalvala señala que la medición se alinea exactamente con lo que predice la mecánica cuántica. «Pero aún así es notable ver que se confirme en algo tan grande», subraya. «Este desplazamiento de los espejos es para un átomo de hidrógeno lo que un átomo de hidrógeno es para nosotros, y lo hemos medido», agrega McCuller.

El experimento puede conducir también a otros resultados. Al estudiar cómo manipular el ruido cuántico del detector y reducir sus patadas hacia los espejos, los investigadores podrían incluso mejorar la sensibilidad de LIGO en la detección de ondas gravitacionales. Esto mejoraría aún más el nuevo campo para la astrofísica abierto en los últimos años.

Al pasar del mundo cuántico a escalas mayores, la ciencia se acerca más a desvelar uno de los grandes misterios del Universo. Cómo leyes tan contradictorias como las de la física clásica y la mecánica cuántica pueden funcionar simultánemente.

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